（电子科学与技术专业论文）嵌入式智能交通信号控制系统研究.pdf

摘要 本课题主要研究了嵌入式智能交通信号控制系统，并在现有的智能交通理论的基础 上，采用了嵌入式微处理器、a v r 单片机、图像采集和处理系统等设备，通过无线数传 模块进行远距离信息交换，将采集的车流量信息进行分析处理，根据车流情况来变换 交通信号灯的亮灭及秒数显示时间，实现交通的智能化管理。 车流量信息的实时采集、传输、处理以及信号灯的合理化控制是智能交通信号系统 的关键技术，本文较为详细地论述了嵌入式系统硬件设计及交通智能化控制方案，文 中所研究的智能交通信号控制系统在改善交通车流拥挤状况方面具有一定应用价值。 关键词：智能交通，无线传输，图像采集，图像处理 a b s t r a c t t h ee m p h a s i so ft h i sp a p e ri se m b e d d e di n t e l l i g e n t t r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fi n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m ，t h er e s e a r c ho b j e c t i v eo f t h i sp a p e ri s e m b e d d e dt e c h n o l o g ye x t e n d e d ，a d v a n c e de m b e d d e dm i c r oc o n t r o l e ra n dp r o c e s s i o n o f i m a g et e c h n o l o g y t h es y s t e m c o m m u n i c a t e sd a t at h r o u g ht h ew i r e l e s sl o n g - d i s t 锄c e t r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t ，a n da d ju s t st h et r a f f i cl i g h t st oc o n t r o lt h es t o p p i n ga n dm o v i n g s i t u a t i o n t h eh a r d w a r ed e s i g no fi n t e l l i g e n t t r a f f i c s i g n a lc o n t r o ls y s t e m ，r e a l - t i m e t r a f f i c c o i l e c t i o nd a t a ，t r a n s m i s s i o n ，p r o c e s s i o ni st h ek e yt e c h n o l o g yo fi n t e l l i g e n tt r a f f i cs i g n a l s y s t e m t h ep a p e rd o e sm a n yd e t a i l e dd i s c u s s i o no nt h e a c h i e v e m e n to fh a r d w a r ea n dt h e v a l i d i t yo fi n t e l l i g e n tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m i n t e l l i g e n tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m h a sag r e a ts i g n i f i c a n c eo nd e v e l o p m e n to fi m p r o v i n gt h ec r o w d e dt r a f f i cc o n d i t i o n so f c h i n a sc i t i e s k e yw o r d s ：i t s w i r e l e s st r a n s m i s s i o ni m a g ea c q u i s i t i o ni m a g ep r o c e s s i n g h 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究意义1 1 2国内外发展现状2 1 3 论文研究内容4 1 4 本章总结4 第二章嵌入式智能交通信号控制系统总体方案5 2 1 总体目标5 2 2 总体设计方案5 2 3 系统组成及特点6 2 4 本章总结8 第三章嵌入式智能交通信号控制系统硬件设计9 3 1图像采集系统9 3 2 图像采集系统外围电路1 4 3 3 嵌入式微处理器17 3 4 嵌入式微处理器外围电路设计19 3 5a v r 微处理器控制单元2 4 3 6a v r 控制单元外围接口设计2 6 3 7 本章总结3 2 第四章嵌入式智能交通信号控制系统软件设计3 3 4 1系统软件开发工具3 3 4 2 系统软件工作流程3 4 4 3 控制系统c 程序设计3 6 4 4 无线通信系统软件设计3 7 4 5 车流量检测算法3 8 4 6 本章总结4 4 第五章嵌入式智能交通信号控制系统调试4 5 5 1 概述4 5 5 2 硬件调试4 5 5 3 软件调试4 7 5 4 本章总结4 8 结论4 9 致谢5 0 参考文献5 1 i i i 1 1 课题研究意义 第一章绪论 随着世界经济的快速发展，城市规模的迅速扩大，城市发展方向和结构在不断调整， 交通机动化程度不断提高，调整城市交通基础设施已迫在眉睫。众多发达城市的交通 都存在着不同程度的拥挤和阻塞，为解决此突出矛盾，提高城市居民生活水平，使整 个城市经济可持续发展，就必须加大我国城市交通建设、规划和管理的步伐。城市的 交通是城市社会、经济活动的动脉和纽带，对城市经济发展和人民生活水平的提高起 着非常重要的作用。 智能交通系统所涉及的研究内容非常广泛，涉及多个学科多种科学理论。它是将先 进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技 术等有效地集成运用于整个地面运输管理体系，而建立起的一种在大范围、全方位发 挥作用的，准确、实时、高效的综合运输和管理系统，实现运输工具在道路上的运行 功能智能化。从而，使公众能高效地使用公路交通设施和能源。虽然窄中运输和水路 运输都在快速发展，但由于费用和地理位置等因素的限制，道路运输仍然是各类运输 中最为普遍的运输方式。理想的智能交通系统可以实现对路面车辆的通行和停止以及 时间间隔的智能化控制，智能交通系统的最终目标就是合理安排和疏导交通，方便民众 出行，使整个交通系统更有效率。智能交通信号系统能实现行人，非机动车和机动车 的有序运行，提高道路的通行能力和交通安全性，老式的交通信号控制系统多采用传 统的m c s 5 1 单片机设计，不仅结构复杂而且功能少，适合于单交叉口信号灯的简单控 制，然而鉴于交通信号控制的发展趋势已从单个交叉口孤立的“点控 模式逐渐发展成 为干道上，多个交叉口协调控制的“线控”模式和区域范围内若干个交叉口协调控制的 “面控”模式，这种趋势迫切需要有一种能易于实现多功能智能化的交通信号系统的出 现。 我国政府高度重视智能化交通的研究，并在“十一五”纲要中指出：各交通管理部 门及其他科研机构要结合我国交通基础设施和交通安全状况，加大交通技术研究的力 度，克服客观因素所带来的困难。政府财政部要在电子信息技术产品创新计划中设立 专项基金，重点支持智能交通技术的研发工作。 本论文主要探讨智能交通系统的软硬件设计，主要包括车流量图像采集、图像分析 和处理、信息的无线传输、交通信号的控制等多种技术，合理搭建硬件平台，最终实 现交通路口车流量的智能化控制。该课题对改善交通路口拥挤状况，提高交通基础设施 的使用效率有一定的实用价值，具有广泛的社会效益和经济效益。 1 2 国内外发展现状 智能交通系统兴起于上个世纪6 0 年代，它是基于电子路径导向系统的后续研究， 随着电子技术在交通运输中的广泛应用逐渐形成了一个崭新的领域，即智能交通系统 ( i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m ) ，简称i t s 。世界各国都在致力于解决交通紧张所带 来的各项问题，以往单纯的增加硬件基础设施已不能满足目前交通发展需求，必须在 现有的设施基础上对车辆情况进行合理调度，因此i t s 作为- i i 独立的研究领域快速 发展起来。 本世纪8 0 年代中期，智能交通的研究进入了一个崭新的阶段，美国加利福尼亚交通 部首先成功研发p a r t h f i n d e r 系统，该系统是现代智能交通系统的雏形。1 9 9 5 年到2 0 0 5 年间，美国政府在智能交通系统开发中的预算高达6 8 4 7 亿美元，日本政府仅在2 0 0 2 年用于i t s 开发的经费即为4 4 2 亿元，欧盟从1 9 9 2 年至2 0 0 2 年用于i t s 的共同研究 预算为3 6 2 亿欧洲货币单位，澳大利亚，新加波等国政府也与9 0 年代初着手智能交通 系统的研究。 智能交通国内外发展状况： ( 1 ) 美国 美国是最早提出智能交通系统研究的国家，8 0 年代中期美困加利福尼业交通部fj 成功研发p a r t h f i n d e r 系统，9 0 年代初美国交通部成立智能车辆及交通组织，并于1 9 9 1 年确定了i s t e r 方案，即全面提高地面运输效率方案，后将i v h s 更名为i t s 。其目的就 是实现面向2 1 世纪的“公路交通智能化 ，从根本上解决交通运输中存在的拥挤、低 效、混乱以及能源耗费等各类问题，提高交通运输的利用率。 美国交通部在”国家智能交通系统项目规划”中明确规定了智能交通系统的7 个领 域及2 9 个用户服务功能。7 大领域包括：电子收费系统、商用车辆运营系统、出行和 交通管理系统、公共交通运营系统、出行需求管理系统、应急管理系统、先进的车辆 控制和安全系统。 i t s 在美国交通领域应用的几个方面为：商业车辆管理系统( 占1 4 ) ，实时自动定 位系统( 占2 0 ) ，公路及车辆管理系统( 占2 8 ) ，电子收费( 占3 7 ) ，以及车辆安全 系统( 占5 1 ) 。 ( 2 ) 日本 日本是亚洲最早进行智能交通系统研究的国家，日本政府于1 9 7 3 年完成动态路径 诱导系统的实验，并于8 0 年代至9 0 年代期间进行了一系列的车路问通信，车车间通 信等方面的研究和实验。在此基础上交通信息通信系统、安全车辆系统、无人电子收 费系统等也得到了广泛应用。9 4 年同本交通部在大阪成立了智能交通协会( w e r t i s ) ， 9 5 年又建立了交通信息通信系统中心( v i c s ) ，9 6 年正式东京，大阪，名古屋等地 2 启动v i c s ，并于9 8 年推广至全国。h 本的v 1 c s 在智能交通系统领域中居世界领先水 平。日本政府在智能交通系统研究中所取得的成果带动了哑洲智能交通系统的发展， 韩国、中国、新加坡等国也相继启动智能交通发展方案。 ( 3 ) 欧洲 欧洲于上个世纪7 0 年代开展了i t s 研究，但由于资金的分散投资和各国间i t s 需 求不同，在整个欧洲大陆实现一体化的i t s 困难重重。但在开发先进的商业车辆运行 系统( a c v o ) ，车辆控制系统( a y e s ) ，旅行信息系( a t i s ) ，以及电子收费系统方面已 经取得了令人瞩目的成绩。欧盟众多成员国于9 8 年投票通过d r i v e 计划，并决定投资 5 0 亿欧元用来改善欧洲道路交通，该计划加快了欧洲智能交通技术的发展，增加了车辆 安全道路设施的建设。目前全欧范围内已经基本建立了完善的交通无线数据通信网、 车辆行驶和电子收费系统、智能交通管理和控制中心等。同时欧洲各国也联合推广一 个欧洲高效安全交通系统计划( p r o m e t h e u s ) 。 ( 4 ) 其他国家 鉴于交通运输在各国经济发展中所站的重要地位，澳大利亚，新加坡，马来西亚， 等国也相继加大，i t s 方面的研究投入。如澳火利哑几乎应用于所有城市旧s c a t s 系 统，韩国建设交通部制定i t s 车载定位系统，以及新加坡的不停车电子收费系统。显 而易见，i t s 已经成为社会发展当中的一项非常中用的研究领域。 ( 5 ) 中国 中国在i t s 领域的发展仍落后于欧美日等发达国家，这是由于中国道路交通设施及 管理设施无法满足车辆增长速度的需求，相比美国、日本、欧洲等发达国家存着一定 差距。我国的交通控制中心大多数只具备监视车流量功能，并未实现智能化调度交通的 目的。 为了满足我国交通发展的需要，智能交通系统的研发与应用已经提上了国家基础建 设的议事同程。我国政府已将i t s 作为中国未来交通发展的一个重要方向，并且逐步 加大在该领域的的投入。我国的“十一五 规划中指出：全面改造高速公路及各大城市 交通主干道，逐步向智能化交通道路迈进。总体目标包括：加强交通基础设施建设、综 合考虑驾车人和出行者的实际需要、运用先进电子和通信技术设备升级现有交通设施、 有效组织和协调各大交通管理部门提高设备的利用效率。由于中国政府在i t s 研究领 域投入的不断增加，中国的多家企业，研究所，高等院校相继设立了i t s 研发机构。 鉴于我国交通系统目前发展状况，我国政府相继出台多项政策，重点推动i t s 的研 究和发展。智能交通的发展不仅有利于交通运输业，同时也推动了电信、通讯、金融、 物流等多个领域的发展。我国在i t s 领域的研究已经取得了较大的进展，尤其在上海， 北京，广州灯发达城市已经相继采用了众多的i t s 设备，显著提高了交通运输的效率。 1 3 论文研究内容 本论文主要研究目的是根据路口的车流量情况设定交通的灯灭及车流通断时间，实 现交通管理的智能化控制。 具体研究内容包括： ( 1 ) 城市交叉路口交通情况研究及分析 ( 2 ) 嵌入式智能交通信号控制系统的总体设计方案； ( 3 ) 路口车流量图像采集、处理及识别技术研究 ( 4 ) 嵌入式微计算机系统及外围电路设计； ( 5 ) a v r 微处理器控制单元及外围电路设计； ( 6 ) 道路间交通信息的无线通信技术研究； ( 7 ) 智能化控制的软件设计。 1 4 本章总结 本章主要介绍了“智能交通”的基本概念、国内外发展现状、课题研究的意义，并 简单地阐述了课题主要研究内容。 4 第二章 嵌入式智能交通信号控制系统总体方案 智能交通信号控制系统的搭建和实现是交通智能化的重要环节，它主要包括车流量 图像采集、图像分析和处理、微处理器控制单元、无线传输等部分组成。 2 1 总体目标 课题的总体目标是对采集的车流量图像信息进行分析和处理，根据处理结果设置交 通信号灯的亮灭情况及车流通断时间，解决车辆拥挤和空闲路面浪费现象，实现交通 的智能化控制。系统应用场所如图2 1 所示： l 2 2 总体设计方案 图2 1 十字路口示意图 一车流量 亡= 信号灯 智能交通信号控制系统主要包括c c d 、图像采集、嵌入式微计算机、微控制器、 无线通信系统以及交通信号灯显示单元。 系统结构如图2 2 所示： 5 ； 心口 一 夕口毛 c 中央主控制系统， 三三二 三三固 图2 2 系统结构不意图 在十字路口东西南北四方向高处位置安装c c d 相机束采集路门车流量信息，采用 a v r 单片机微控制器作为交通信弓的控制系统，主要包括中央主控制系统及4 个路口的 从控制系统。主控制系统启动后通过无线传输发送询问信号，询问东西南北4 个路口 的交通控制系统是否准备好工作。当所有的路口准备好工作后，启动各个路口的c c d 相机，利用数据采集单元进行路口车辆数据的采集，采集结束后将路口车流量信息送 到嵌入式微计算机进行分析和处理。各个路口的嵌入式微处理器将处理结果传送给4 路口的从控制系统，再利用无线数传模块将信息传送给主控系统，主控系统回应各路 口的从控制系统，从控制器就可以根据路口的车辆路面运行情况控制交通灯的走向、 停留时间以协调车流量，实现交通信号控制系统的智能化。 2 3 系统组成及特点 嵌入式智能交通信号控制系统主要包括车流量图像采集单元、图像处理单元、交通 信号控制系统及无线通信系统四个部分。 ( 1 ) 图像采集单元 c c d 摄像头 c c d 即电荷耦合器件，它是一种半导体装置，主要功能是将光信号转换成由“0 “1 组成的数字信号，便于计算机对信号的分析和处理。在智能交通信号控制系统的 研究和设计中，摄像头是一个重要的信息获圾部件，它的各项要求由摄像镜头的特性来 决定。 6 图像采集 b t 8 7 8 是基于p c i 总线的高效视频捕捉芯片，可以利用p c i 与其他多媒体设备进行 连接使用，实现视频图像采集功能。b t 8 7 8 具有价格低廉、结构简单、应用方便、性能 稳定等优点。 ( 2 ) 图像处理单元 图像处理采用嵌入式微型计算机( e t x ) ，e t x ( e m b e d d e dt e c h n o l o g ye x t e n d e d ) 即嵌入式技术延伸，e t x 是一种嵌入式工业主板标准，可以应用在各类专业嵌入式p c 机，为专用计算机系统板设计者提供了合理的选择。e t x 是在小尺寸板上集成了声卡、 l v d s 显示、网口、u s b 和标准i o 等功能的c p u 子系统，具备对采集图像信息进行处 理和分析的功能。 ( 3 ) 交通信号控制系统 交通信号控制系统采用a v r 微控制器，它是由a t m e l 公司1 9 9 7 年研发出的增强型 内置f l a s h 的r i s cr e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc p u ( 精简指令集) 高速8 位单片机， a v r 单片机的处理速度可以达到1 m i p s m h z 。它不仅具有高速的运算处理能力，同时片 内集成了丰富的i 0 功能，与e t x 两者协同工作，通过运用先进的控制策略实现交通 系统的智能化控制。 ( 4 ) 无线通信系统 无线通信系统的核心部分是基于t c p i p 协议的无线发射接收模块，将其安装在 嵌入式主从控制系统上，实现4 个路口的交通从控系统与主控系统之间的信息交换。还 可以组建广域网和局域网，进行信息的无线传输，提高智能化管理程度，这比传统的布 线更为可靠方便，同时避免了路面挖掘或传输线搭设所带来的资源浪费。 无线通信系统具有电路简单、价格低廉、应用方便、外围电路少等优点。它可以与 标准r s 2 3 2 或4 8 5 串口连接，在规定的协议基础上通过无线网络进行数据的传输。 嵌入式智能交通信号控制系统的特点如下： 1 ) 对城市交通道路及交叉路口的车流量、交通密度、道路占有率等数据进行实时 监控； 2 ) 采用无线通信模块进行设备间的数据传输，体积小，重量轻，安装方便，减小 了布线带来的弊病； 3 ) 嵌入式微处理器对采集的车流量信息进行处理，提高了交通控制系统的可靠性， 实时性及稳定性。 4 ) 根据采集的路口车流量图像信息的处理结果控制信号灯的状态和车流通断情况， 具备监控和分析车流量情况的功能； 5 ) 根据不同的路口情况更改程序，适应各类环境及特殊需要，可移植性强； 6 ) 能够克服包括光线、车流量变化等外部冈素，完全适合户外环境的应用，安装 简单，灵活性好； 7 在总体设计的过程中，十字路口的4 个从控系统及中央的主控系统都采用了模块化 结构，不仅可以灵活更换设备，而且增加了控制系统的独立性，减少了故障修复时间， 增强了系统的可靠性。无线传输设备的应用取代了传统的有线连接方式，避免了布线时 对路面的破坏，同时消除了因有线连接时断线所带来的风险。 2 4 本章总结 本章主要阐述了嵌入式智能交通信号控制系统的总体设计方案及各系统模块的功 能特点；简要介绍了车流量图像采集、图像处理、交通信号控制及无线通信的基本结 构。 8 第三章嵌入式智能交通信号控制系统硬件设计 智能交通信号控制系统研究目的是对路口交通信号的智能化控制，利用安装在十字 路口的交通设备，根据路口车流量情况，自动调节交通信号灯显示时间，控制车流通 断情况，缓解了车辆拥挤现象，提高了道路的利用率。 具体原理框图如图3 1 所示： 3 1 图像采集系统 图3 1 各路口系统原理框图 图像采集系统的主要功能是通过c c d 相机获取路口车流量信息，利用b t 8 7 8 实现图 像信息的采集。具体原理框图如3 2 所示： c c d 车流量 信息 s v i d e o ( y ) s v i d e o ( c ) p c i 总线 d m a 控制器 y a d c a d 低 通 滤 波 器 、l c 分 离 器 视频 数据 格式 转换 图3 2 图像采集单元原理框图 9 色度 饱和度 亮度 调整 垂直 水平滤波 标定 3 1 。1 c c d 功能及参数 c c d ( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) 是光电荷藕合器件，它的基本功能是将采集的光学图 像信息转换成电信号，利用模数转换芯片将模拟信号转换成数字信号。 c c d 是摄像镜头的主要传感部件，它具备体积小、抗磁场、灵敏度高、无残影抗震 动、寿命长、畸变小等特点，是代替传统摄像管传感器的新型器件。 ( 1 ) c c d 的工作原理 光线照射在物体表面发生漫反射，反射的光线传递到摄像镜头表面，透过镜头的聚 焦功能作用把聚焦信息传送到c c d 芯片上，根据光的强弱积聚相应电荷的周期性放电 情况，形成一种微弱的电信号，由于信号较微弱需要进行放大处理，而在整个过程中 会产生一定的噪声需要滤波滤除，因此需要在录播处理后再传送到摄像镜头输出端形 成一个标准的复合视频信号。为掌握路口车流量信息，采用带电动调焦功能的摄像镜 头，这样可以远程控制摄像镜头进行变焦，更有利于掌握路口的交通情况。c c d 摄像镜 头设备带有光圈自动调节功能，它可以随光线变化进行调节，符合交通系统在户外环 境的应用。 ( 2 ) c c d 的主要参数 c c d 的最主要性能指标是分辨率和像素，它们决定了图像的清晰程度，分辨率越高， 图像的显示将会更加细致。像素越多，图像越清晰。现在大多摄像镜头已经达到几十 万甚至上百万像素。分辨率的高低与c c d 和镜头有关，还受摄像头电路通道的频带宽 度影响，通常是1 m h z 的频带宽度清晰度为8 0 线。频带越宽，线数值相对越大，图像 越清晰。灵敏度也是c c d 性能的一个重要指标，它是c c d 对环境光线的敏感程度，或 者说是c c d 成像时所需的最暗光线。照度单位是勒克斯( l u x ) ，它的数值越小，表示所 需的光线越少，摄像头越灵敏。c c d 信噪比典型值为4 6 分贝，如在4 6 - 5 0 分贝之间， 则图像会有少量噪声，但不会对图像有太大的影响：如果能达到6 0 分贝，噪声就会很 小。c c d 摄像头常用的供电方式有交流2 2 0 伏、交流2 4 伏、直流1 2 伏、直流9 伏。 表3 1c c d 按照度的分类 普通型 工作照度l 一3 l u x 月光型工作照度0 1 l u x 左右右 星光型 工作照度0 0 1 l u x 以下下 红外型红外光照明，无可见光下成像 1 0 ( 3 ) c c d 的选择 c c d 技术的研究最初起源于仿生学，c c d 芯片就像人的视网膜，它是摄像镜头的核 心部件。芯片生产时会产生不同等级，各厂家技术条件不同等原因，造成c c d 采集效 果也不尽相同。因此在选择c c d 时，可以采取如下方法检测：接通电源并连接视频电缆 到监视器。关闭镜头光圈，观察图像全黑时是否有亮点及屏幕上雪花的大小。这是检 测c c d 芯片的最简便方法，且不需要其它专用仪器。打开c c d 的光圈，观测一个静止 的物体，现在在设备应用中多采用彩色摄像头，所以最好摄取一个色彩鲜艳的物体， 查看显示器上的图像是否有偏色，扭曲，色彩或灰度是否平滑。高质量的c c d 可以很 好的还原景物的色彩，使物体看起来更为清晰自然：而质量较差的c c d 的图像就会有偏 色现象，即使面对全白色景物，图像也会显示红色或蓝色。还应该注意个别c c d 在生 产过程中可能沾有灰尘或杂质，在一般情况下，这种微小的杂质不会影响图像，但在 显微摄像或要求高质量图像采集时，很可能影响采集图像的质量。 因此，在c c d 的分辨率越高，图象越清晰，识别率就越高，但高分辨率的c c d 摄 象机价格较高，在选择c c d 的同时应该注意视频图象采集卡也要有相应的分辨率与之 相匹配。 3 1 2 图像采集芯片 本设计中采用b t 8 7 8 芯片作为视频图像采集芯片。b t 8 7 8 是基于p c i 总线的高效视 频捕捉芯片，主要负责完成对路口车流量采集图像的处理工作。 ( 1 ) b t 8 7 8 的功能及原理 b t 8 7 8 芯片功能包括视频信号a d 转换、低通滤波、亮度信号( y ) 和色度信号( c ) 的分离以及亮度、色度、饱和度的调整等。 图像处理系统硬件框图如图3 3 所示： 图3 3b t 8 7 8 视频采集芯片原理框图 视频信号的亮度信号( y ) c o m p o s i t e s - v i d e o ( y ) 和色度信号( c ) s - v i d e o ( c ) 分别通过b t 8 7 8 的m u x ( 0 ：3 ) 及c i n 引脚后进行a d 转换，经低通滤波器后再对视频信息 解码和比例的缩放，将处理后的信息经过像素格式转换器存入视频f i f o ，经d m a 控制器 控制与p c i 总线连接。 ( 2 ) b t 8 7 8 的性能 b t 8 7 8 集成了p c i 总线控制器、n t s c p a l s e c a m 视频和s 一视频解码器、d m a 控制器、 和缩放器等功能部件。 b t 8 7 8 芯片主要性能包括： 1 ) 具备y c r c b 和r g b 像素格式输出功能； 2 ) 具备p a l s e c a m n t s c 模拟输入功能； 3 ) 具备多s - v i d e o 与c o m p o s i t e 输入功能： 4 ) 支持不同存储区域和不同色彩空间缩放比； 5 ) 支持p c i 2 1 版本和p c i 零等待突发写入； 6 ) 图像大小可以通过水平、垂直插入法缩放； 7 ) 支持视频映像到2 2 5 色调色板； 8 ) 支持图像分辨率达7 6 8 * 5 7 6 ： 9 ) 支持视频源的复杂剪辑； l f ) ) 集成的音频模数转换器； 1 2 1 1 ) t v 、f m 全立体卢解码 1 2 ) v b i 数据的捕捉； 1 3 ) 全双工除噪。 ( 3 ) b t 8 7 8 工作时序 b t 8 7 8 作为图像采集处理芯片对它b t 8 7 8 的视频工作时序提出了要求，时序的混 乱可能导致数据丢失、工作停止、图像处理不彻底等问题。 时序情况如图3 4 和图3 5 所示： 掰疆弱节 讲程器日 f 难l o h a c l l v e v j 佣v e v 翻s e l i l l 2 - 88 c 绷l j n 的 v d e l a y 2s c a n “n “ 图3 4 起始域为1 ，3 ，5 ，7 的时序图 图3 5 起始域为2 ，4 ，6 ，8 的时序图 当起始域在1 ，3 ，5 ，7 处时，h r e s e t 信号先于v r e s e t 信号两个时钟周期，便于外 场的下组数据；活动场内活动视频的界定h a c t i v e 和h d e l a y 信号决定。 一 一 一 一 一 3 2 图像采集系统外围电路 系统设计中采用b t 8 7 8 芯片作为视频图像采集处理芯片，须设计合理的外围电路， 而外围电路中的视频图像格式转换部分是设计的重点。 3 2 1b t 8 7 8 的外部接口 b t 8 7 8 的外部接口主要包括： ( 1 ) 视频信号输入接口：视频信号通过3 路复合输入和一个s - v i d e o ( y ) 信号输 入，采用多路复用器选择输入信号，多路复用器可选择3 路混合信号源输入，也可选择 1 个单一的s - v i d e o 信号源输入。当s - v i d e o 作为视频信号源输入时，色度信号( c ) 直接从c i n 引脚输入，而亮度信号( y ) 从输入多路复用器输入。 ( 2 ) p c i 总线接口：提供与p c i 总线连接的信号包括g n t 、r s t 、r e q 、c l k 、 s e r r 、p a r 、p e r r 、c b e 3 ：0 、f r a m e 、i n t a 、i d s e l 、i r d y 等。 ( 3 ) 时钟接口：x t o 和x t l 为时钟信号接口引脚，连接一个2 8 6 3 6 3 6 m h z 时钟源； ( 4 ) ，2 c 接口：包括串行数据线( s d a ) 和串行时钟线( s c i 。) ，使用时将s d a 、s c l 直接 接入附属没备的相应引脚。 ( 5 ) g p i o 接口：b t 8 7 8 提供2 4 位g p i o 总线，这些接口可以用来输入输出i o 信号， 如视频信息，音频信息等。 3 2 2 整体硬件结构图 图3 6 视频捕捉模块硬件结构图 视频图像采集与处理系统的外围电路主要包括总线接口模块、时钟模块、输入模块 与核心模块，其核心模块主要由主控芯片b t 8 7 8 及其辅助电路构成。 ( 1 ) 总线接口模块：完成p c 机p c i 总线与视频捕捉卡之间的连接。 ( 2 ) 时钟模块：它跟传统设计中的时钟电路相似，由电容、电感、晶振等务l 成，为 1 4 b t 8 7 8 提供相应的视频时钟信号。在本设计中采用2 8 6 3 6 3 6 m h z 时钟源，连接到x t o 和 x t l 之间。 ( 3 ) 输入模块：输入模块的功能是将由c c d 摄像头得到的路口车流量信息传送到 b t 8 7 8 视频信号输入引脚。 ( 4 ) 核心模块：主要包括b t 8 7 8 芯片和外围辅助电路。 3 2 3 视频信号输入接口 ( 1 ) 视频信号输入接口转换电路 以b t 8 7 8 为核心的外围电路采用7 芯s v i d e o 插头。 它与外部c c d 相机的连接则 采用r c a 插头，因此需要设计一个转换电路。 转换电路如图3 7 所示： 图3 7 视频信号接l 转换电路 经视频信号接口电路转换，外部连接采用r c a 插头，内部连接则采用s 视频输入接 口，既方便了与外部c c d 相机的连接，又提高了图像传输的稳定性。 ( 2 ) r c a ( a v ) 视频接口 r c a 即标准视频输入接口，也称a v 接口，它包括视频( y e l l o w ) 接口和音频( w h i t e ) 接口，视频接口用来传送图像信息，而音频接口主要用来传送音频信号，这样的接口 设计方式避免了因混合干扰而造成的图像质量下降。但r c a 视频接口传输的信号是亮 度和色度的混合视频信号，传输后的信息带有较大的干扰，必须采用显示设备来进行 亮色信号的分离和色度解码，但是这种信号先混合再分离的过程存在着缺陷，必然会 产生不可调和的误差，所以在对视觉效果要求严格的情况下不能使用。 ( 3 ) s v i d e o 视频接口 s v i d e o 接口也称二分量视频接口，它将视频信号分开传送，也就是在r c a 接口的 基础上以不同的通道分别传输色度信号c 和亮度信号y 。这种视频传输方式兴起于上 世纪术期，它一般采用标准的4 芯或7 芯接口方式，7 芯较4 芯多出音效接口功能。这 种接口技术应用广泛，带有模拟视频采集和编辑卡的电视机、视频投影等设备上都带有 s - v i d e o 接口显卡的视频设备。与以往的a v 接口相比，s - v i d e o 接口传输方式不再将 色度信号和亮度信号混合传输，这样就避免了以往的亮色信号分离和解码的工作过程， 并完全实用独立的传输通道来进行数掘的传输，避免了信号间干扰造成的输出图像质 量下降现象的发生。但s - v i d e o 不能将c r 和c b 色差信号分开处理，仍需要进行混合， 形成一路色度信号c ，传输后再在显示设备中解码为两路c r 和c b 信号，所以在图像 的传输过程中依然带有一定的信号失真，但这种信号损失对图像质量不会有太大影响。 图3 8 为7 芯s - v i d e o 接口图： 囹图 图3 8s - v i d e o 接口图 1 6 表3 2 为7 芯s - v i d e o 的管脚： 表3 2s - v i d e o 管脚 p i nn a m e d e s c r i p t i o n 1g n d 亮度地 2g n d 色彩地 3y 亮度信号 4c 色信号 5 6v 复合视频信号 7v g n d 复合地 3 3 嵌入式微处理器( e t x ) 本设计中的嵌入式微处理器( e t x ) 用于处理车流量图像信息。为了保证系统的高效 稳定，充分利用e t x 资源，须合理设计外围接口和总线接口。 3 3 1e t x 的特点 e t x 即嵌入式技术延伸，它是性能优良、尺寸紧凑、结构灵活的嵌入式控制模块。 在e t x 规格载板子上实现了几乎所有的工业计算机所需要功能，它完全面向专用计算 机系统板的设计者。e t x 板载嵌入式高性能1 6 位处理器，该处理器内部为3 2 位r i s c 架构并且与8 0 c x 8 6 处理器兼容，内置了l o o m 的以太网。 嵌入式微处理器( e t x ) 的c p u 应用了r i s c 的技术，主频在2 0 0 m h z 到1 8 g h z 之间， 内存最高可达l g ，它具备p c 机的所有功能模块和接口，并由e t x 组织规定了标准的模 块外观结构和引脚排列。低功耗c p u 和各种计算机接口同时集成在e t x 的s o m 模块上， 提高了系统的集成度。同时高性能8 0 c x 8 6 系列的c p u 、芯片组、南北桥在e t x 模块上 的成功移植使e t x 具备了完备的计算机功能。在e t x 背面板上引出4 个l o o p i n 总线引 脚，应用时只需设计对应的插座即可。还可以通过p c i 和i s a 总线实现串并口、f d d 、 声卡、h d d 等功能的扩展。 3 3 2e t x 单元结构图 本系统中的嵌入式计算机主要由p c i - p c i 桥接电路、外围接口电路和e t x 模块三大 部分组成，其中e t x 模块是嵌入式计算机的核心控制部分，p c i p c i 桥接电路必须扩展 必要的外围电路；为扩展e t x 模块的各种外围接口信号，在设计外围接口电路时应满足 接口兼容性要求。 外围接口电路和p c i - p c i 桥接电路的设计与实现是嵌入式计算机系统硬件设计的 1 7 重点。e t x 外围接口电路主要包括并行接口电路、u s b 接f j 电路、硬盘接口l 乜路、键 盘鼠标接口电路、显示接1 3 电路、串行接口电路、网络接口电路组成。 嵌入式计算机整体硬件框图如图3 9 所示： 3 3 3e t x 硬件结构设计 图3 9 嵌入式计算机系统硬件结构图 嵌入式微处理器( e t x ) 系统板采用背板设计，包括e t x 底板和e t x 背板。 如图3 1 0 和3 1 1 所示： 在嵌入式计算机系统底板设计上采用( x l x 4 ) 4 个e t x 插座，每个插座通过l o o p i n 高密度连接器来实现底板与计算机板间的连接。 ( 1 ) e t x 连接器x 1 ： ( 2 ) e t x 连接器x 2 - ( 3 ) e t x 连接器x 3 ： ( 4 ) e t x 连接器x 4 - 3 2 位的p c i 总线、声卡、u s b ； 1 6 位的i s a 总线； 键盘鼠标、c o m l 、c o m 2 、l c d ( l v d s ) 、i r d a 、v g a ； 以太网、e d e 、特性信号。 x 4 ：10 0 p i n s 2 i d e e t h e r n c t o t h e r s x 3 ：1 0 0 p i n s v g l c d c o m i r d a k e y b o a r d m o u s e 图3 1 0e t x 核心板的引脚图 x 2 ：10 0 p i n s i s a 鼬s x 1 ：1 0 0 p i n s p c i b u s u s b a u d i o 嵌入式计算机系统背板主要包括v g a 显示接口电路、桥接电路、r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、 以太网接口电路、v s b 接口电路、p s 2 键盘鼠标接口电路、v i d e o 输入接口电路、 以及4 个1 0 0 p i n 高密连接器。 e t x 背板结构示意图如图3 1 1 所示。 图3 1 1 背板示意图 嵌入式计算机背板可以根据开发者要求和特殊应用情况设计形状、尺寸以及接口 位置，扩展i 0 功能，提高集成度，简化了设计过程，缩短了开发周期。 3 4 嵌入式微处理器外围电路设计 嵌入式微处理撂模块一卜集成了高性能8 0 c x 8 6 系列的c p u 、s u p e ri 0 控制器、显 1 9 示芯片、 网络芯片、 南北桥、音频控制器、芯片组、i s a 、p c i 以及p c 标准接 r1 信号等，具备了所有计算机的功能和接u ，但外围设备与嵌入式计算机接口问存在 着差异，因此需要设计适合e t x 和各种外围接口。 3 4 1c f 存储器 嵌入式智能交通信号控制系统需要稳定的存储设备，但由于该设备主要应用于户外 场所，受各种天气、环境等因素影响，以往的普通磁盘阵列式硬盘难以满足要求。因 此，在本设计中采用c f 卡作为存储设备直接安装应用。嵌入式计算机带有标准的硬件 连接器和内存接口，它满足a t a 一3 ( e i d e ) 接口引脚定义的c f 卡标准。 c f 卡即c o m p a c tf l a s h 卡，主要由控制单元( c o n t r o l l e r ) 和存储单元( f l a s hi c ) 组成，它是标准的闪存卡。c f 卡采用f l a s h 闪存技术，无需电池来维持其中存储数据。 c f 卡主要特点： ( 1 ) c f 卡具备与t y p e3 和p cc a r dt y p e2 兼容的特性： ( 2 ) c f 卡具备与a t ar e l e a s e1 0 2 和p cc a r dr e l e a s e2 1 兼容的特性： ( 3 ) c f 卡可以随插随用，支持带电插拔和热转换功能： ( 4 ) 较快的c f 卡信息搜索速度： ( 5 ) 供电电压的标准值为5 伏或3 3 伏： ( 6 ) 支持省电功能，提高了能量的利用率： ( 7 ) 当数据发生错误时可以自动检测和校验： ( 8 ) 内部采用防震、防尘的不锈钢材料： ( 9 ) 可承受1 0 0 0 g 的最大压力： ( 1 0 ) 完全支持d o s 、w i n d o u w s 、u c o s 2 、l i n u x 、v x w o r k s 等嵌入式操作系统： c f 卡具备稳定性高、抗震性强、无旋转介质、工作温度宽、支持多操作系统、无 需电池保持数据、存储容量可选择等优点。因此，广泛地应用在支持标准p cc a r d a t a 与p cc a r d 方式的工业控制、深海探测、医疗设备、国防科研、计算机等各个领域。 3 4 2v g a 显示接口 v g a 即v i d e o g r a p h i c s a r r a y ( 视频一图形一阵列) ，该接口是计算机显示器支持的 标准接口，广泛的应用于计算机与显示器的连接，完全支持标准的c r t 显示器与带有 v g a 接口的液晶显示器。e t x 的x 3 连接器的r ( 引脚3 ) 、b ( 引脚4 ) 、u s y ( 引脚5 ) 、 g ( 引脚6 ) 、v s y ( 引脚7 ) 五个引脚实现v g a 信号的输出，如表3 3 所示： 2 0 表3 3